JP2819729B2

JP2819729B2 - 高温装置用材料の接合方法

Info

Publication number: JP2819729B2
Application number: JP3321890A
Authority: JP
Inventors: 和博小川; 裕一小溝
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-02-13
Filing date: 1990-02-13
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2013-11-05
Also published as: JPH03238169A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、エチレン製造装置等の高温で運転される装
置に用いられる高温装置用材料の接合方法に関する。

〔従来の技術〕

火力、原子力発電や化学プラントなどでは、高温で運
転される装置が多く、そのような高温装置に用いられる
材料には、耐水蒸気酸化特性、耐高温腐食特性などの耐
食性、高温強度、クリーブ破断強度、疲労強度などの機
械的特性といった、多岐にわたる性能が要求される。な
かでも、エチレン製造装置のクラッキングチューブは、
使用温度が800℃以上の超高温であることから、その材
料には、特に優れたクリープ破断強度が要求される。

エチレン製造装置のクラッキングチューブに従来より
多用されている材料は、高炭素Cr−Ni鋼（例えば0.4％
Ｃ−25％Cr−20％Ni）よりなる遠心鋳造管である。これ
は、材料組織が鋳造組織であるために、粗粒で且つ共晶
炭化物による強化を受け、特に高いクリープ破断強度を
示すことによる。また、最近は、遠心鋳造管と同等強度
を有する押出法による鍛伸管も開発されている。例え
ば、会社技報「住友金属,32（1980）」には、低Ｃ化に
より最終固溶化熱処理時に完全固溶化を図って粗粒化を
促進すると共に、共晶炭化物による強度低下Ti,Al,B,Z
r,Moなどの添加で補うことにより、鋳伸管に遠心鋳造管
と同等強度を与え得ることが報告されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような高温装置用材料は、従来は溶接で接合され
ている。しかし、高炭素材料であったり、多数の添加元
素を含む材料であったりするために、溶接割れ感受性が
大きく、かつ溶接継手の高温強度が低下するのを避け得
ない。このため、溶接入熱量を抑えたTIG溶接が多用さ
れているが、それでも溶接割れ防止は完全でなく、溶接
能率も低い。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたもので、高能率
で、しかも高温装置用材料として要求される性能接合部
に与え得る高温装置用材料の接合方法を提供することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

鋼材の接合方法として、その突合せ部をインサート材
により溶融拡散接合する方法は公知である。この方法
は、突合せ部間に挟んだインサート材を溶融させるだけ
で、突合せ部を接合でき、溶接入熱量を抑えたTIG溶接
よりも総じて高能率である。しかし、高温装置用材料の
場合は、インサート材を溶融させる温度が高いと、溶接
の場合と同様の高温割れが接合部に生じるので、拡散接
合でも高温割れを防止することは容易でない。また、接
合部に高温装置用材料として要求される耐食性、機械的
特性を与えることも、使用温度が高くなるほど難しくな
る。

本発明者らは、斯かる難点を解消するべく、種々の実
験結果を行った場合、高温装置用材料、特に700℃以上
の高温で使用される材料の拡散接合について次の知見を
得た。

高温装置用材料を拡散接合した場合の高温割れを防止
するためには、インサート材の溶融温度を1150℃以下に
抑える必要があり、そのようなインサート材はSi,Bの１
種以上の添加により得られる。Si,Bの１種以上の添加と
合せてCr,Moをインサート材に添加しておくと、接合層
の耐高温酸化性、高温強度が著しく改善される。これら
の元素は120秒以上の加熱時間で十分に拡散し、その効
力を発揮する。インサート材は界面の密着性を確保する
ために、ある程度の厚みを必要とするが、厚くなりすぎ
ると、接合層におけるクリープ破断強度、耐高温酸化性
が低下する。

本発明は、斯かる知見に基づきなされたもので、重量
％で、 C :0.07〜0.5％、Si:1〜2.5％、 Mn:0.1 〜1.5％、Ni:20〜45％、 Cr:22〜30％と、更に必要に応じて、 Mo:1.8〜2.2％、Ti:0.2〜0.8％、 B :0.002〜0.007％、Zr:0.01〜0.05％の１種または２種以上を含み、残部がFeと不可避的不純
物からなる高温装置用材料の相互突合せ部に、重量％
で、 Si:8％以下、B:4％以下の１種以上、 Cr:5〜40％と、更に必要に応じてMo:10％以下を含み、残部がFeお
よび／またはNiと不可避的不純物からなる融点1150℃以
下、厚さ10〜80μｍのインサート材を介在させ、酸素量
が200ppm以下の雰囲気中においてその突合せ部を0.5〜2
kg f/mm²の圧力で加圧しながら２〜20kHzの高周波電源
にて1150〜1250℃の温度に120秒以上誘導加熱し、前記
インサート材を溶融させることを特徴とする高温装置用
材料の接合方法を要旨する。

〔作用〕

以下に本発明の接合方法における要件限界理由を述べ
る。なお、％は特にことわりのない限り重量％を表わ
す。

被接合材料被接合材料は下記成分を有する高温装置用鋼材とす
る。

C:強度確保のために0.07％以上が必要である。しかし、
0.5％を越えると、炭化物析出による脆化が問題にな
る。従って、Ｃは0.07〜0.5％とした。

Si:耐高温酸化性および耐浸炭性の確保のために１％以
上とする。しかし、2.5％を超えると、低融点共晶によ
る熱間加工時の割れが生じるので、2.5％以下とした。

Mn:脱酸元素であり、0.1％を必要とするが、多くなると
熱間加工性確保が困難になるので、上限を1.5％とし
た。

Ni:高温でのオーステナイト相の安定性を確保するため
に20％以上とした。しかし、コスト増を避けるために45
％を上限とした。

Cr:耐高温酸化性の確保に有効な元素であり、22％以上
でその効果を享受できる。しかし、30％を超えると熱間
加工性の確保が困難になる。従って、Crは22〜30％とし
た。

Mo,Ti,B,Zr:いずれもクリープ強度の確保に有効な元素
であり、Mo,TiおよびZrは粒界強化により、またＢは延
性向上によりクリープ強度を向上させる。ただし、その
有効性は元素によって異なる。また、いずれの元素も多
量に含有されると熱間加工性が悪化する。こうしたこと
からMoは1.8〜2.2％、Tiは0.2〜0.8％、Ｂは0.002〜0.0
07％、Zrは0.01〜0.05％とした。

上記成分組成になる高温装置用材料は、押出法による
鍛伸管にあっても、遠心鋳造管と同等強度を示し、特に
700℃以上で使用された場合にも、高温装置用材料とし
て必要な耐食性および機械的強度を発揮する。

インサート材接合に使用するインサート材は、下記成分組成を有
し、なおかつ融点が1150℃以下でなければならない。イ
ンサート材の融点が1150℃を超えると、接合時の材料加
熱温度が高くなり、高温割れの危険性が生じる。

Si,B:インサート材料の融点を低下させるために１種以
上が必須であり、融点が1150℃以下になるように下限が
調整される。これらの元素は、被接合材に拡散しやす
く、接合層への残量による脆化を生じ難い利点もある。
しかし、多量に含有されると接合層の脆化を阻止し得な
くなる。従って、Siは８％以下、Ｂは４％以下とした。
Si,Bは融点を降下させるために添加するが、単独添加よ
りも複合して添加した方がより好ましい。

Cr:接合層の耐高温酸化性を確保するが、５％未満では
その効果がなく、40％を超えると接合層に脆化が生じ
る。従って、Crは５〜40％とした。

Mo:接合層の耐食性、高温強度を向上させるために必要
に応じて含有されるが、多量に含有されると接合層の脆
化を生じるので、含有させる場合は10％以下とする。

インサート材はNi基、Fe基のいずれでもよく、またF
e,Niを複合して添加したものでもよいが、接合層の耐食
性はNi基もしくはNi量の多い方が優れる。インサート材
の組織は非晶質が望ましい。これは上記成分系では、非
晶質とすることによってインサート材の取り扱いが容易
になる他、製造も容易で低コストになる。

インサート材の厚さを10〜80μｍとしたのは、10μｍ
未満では接合面に存在する凹凸が吸収できないために界
面密着性が確保れず、80μｍを超えると、短時間の接合
で必要な接合層のクリープ強度および耐高温酸化性を確
保できないからである。すなわち、インサート材が厚く
なると、短時間の接合ではインサート材が十分に拡散せ
ず、接合層に残留したSi,Bが脆化を引き起こす。

接合時の条件接合時の条件では、接合雰囲気の酸素量、接合温度、
加圧力、接合時間および電源周波数が重要であり、これ
らは規定した。

接合雰囲気の酸素量：接合界面での酸化による接合強度
低下を防止するために、接合雰囲気の酸素量を抑制する
必要があり、これが200ppmを超えると酸化による接合強
度低下が生じる。

接合温度：接合温度が1150℃未満ではインサート材を溶
融させ得ない場合があり、またインサート材を溶融させ
ることができてもインサート材中の融点降下元素（Si,
B）の被接合材への拡散が不足したり、その所要時間が
長くなって非能率となる。逆に、接合温度が高くなり過
ぎると、高温割れの危険性が生じると共に、接合層近傍
の結晶粒が粗大化して強度低下を生じる。このような観
点から、接合温度は1150〜1250℃とした。

加圧力：接合面に加える圧力は、接合界面の密着性確保
のために0.5kg f/mm²以上が必要であるが、2kg f/mm²を
超えると接合部の変形が顕著になる。従って、加圧力は
0.5〜2kg f/mm²とした。

接合時間：接合界面を密着させると共に、融点降下元素
（B,Si）を十分に拡散させて接合層の強度、耐食性を確
保するために、120秒以上を必要とする。接合時間の上
限は特に定めないが、接合、拡散が十分に促進されさえ
すれば短時間の方が経済的である。

電源周波数：高周波誘導加熱は接合界面近傍を外部から
簡単に加熱し得るが、電源周波数が2kHz未満では加熱効
率が低く、不経済であり、20kHzを超えると、表皮効果
が顕著になるために、例えば被接合材が管の場合にはイ
ンサート材の均一加熱溶融が困難になる。従って、電源
周波数は２〜20kHzとした。

〔実施例〕

次に本発明の実施例を述べる。

化学成分を第１表に示す６種類のオーステナイト系高
温用鋼よりなる外径60mm、肉厚7mmの押出鍛伸管につ
き、第１図に示すように、シールドチャンバーを兼ねる
加熱コイル１内で管2a,2bの端面間にインサート材を挟
んだ状態で、管2a,2bを相互に突合せてクランプ3a,3bに
より固定した。

６種類の押出鍛伸管はいずれも使用温度が700℃以上
である。インサート材は、溶湯を回転ロール表面に噴出
して急冷凝固させることにより薄帯化したアモルファス
箔を用い、その成分組成は第２表に示す７種類である。

管2a,2bをクランプした後は、管2a,2b内とシールドチ
ャンバーを兼ねる加熱コイル１内とにN₂ガスを流して雰
囲気調整（酸素量150ppm）を行った状態で、加熱コイル
１を高周波電源４により駆動して突合せ部を加熱した。
突合せ部の加熱により管2a,2bが軸方向に伸びて接合面
に加圧力が付与される。加圧力は、熱膨張による反力を
クランプ3a,3bで逃がすことにより調節し、接合温度
は、高周波電源４の操作により調節した。

こうして管1a,1bを接合した後、その接合部の健全性
を側曲げ試験とクリープ試験とにより評価した。側曲げ
試験では、第２図に示す試験片に対して、曲げ半径が板
厚の２倍の180度曲げを行い、割れ発生の有無を調査し
た。ここにおける側曲げ試験片は、第２図及び第４図に
示すように、供試管である肉厚が7mmの接合押出鍛伸管
の接合部分から管周方向一部を6mm厚で切り出した断面
が実質7mm×6mmの角棒試験片であり、供試管の肉厚方向
に直角なＸ−Ｘ面を側曲げ試験での中立面とした。クリ
ープ試験では、試験に供した押出鍛伸管の材質に対応し
て第３表に示す試験条件を設定し、その条件下でのクリ
ープ破断時間を調査した。ここにおけるクリープ試験片
は、第３図及び第４図に示すように、供試管である肉厚
が7mmの接合押出鍛伸管の接合部分から管周方向一部を
切り出して得た有効部直径が6mmφの丸棒試験片であ
り、有効部の両端側にM8の連結用ネジ部を有している。
なお、M8の連結用ネジ部では、供試験の肉厚による制限
から外周面の中心を挟む２位置が平行に面取りされてい
る。これらの調査結果を接合条件とともに第４表に示
す。側曲げ試験結果は○（割れなし）、×（割れ有り）
で表わし、クリープ破断時間は同一試験で母材が示した
クリープ破断時間との比で表わしている。

第４表に示されるように、本発明の接合方法による場
合には、側曲げ試験では接合部に割れは生じなかった。
また、その接合部は母材の80％以上のクリープ破断時間
を示し、優れた高温強度を有することが確認された。こ
れに対し、比較例B1では、インサート材の組成が適正で
あるにもかかわらず、その厚みが過大であるために、ク
リープ強度が低下した。B2,B3およびB6では接合温度、
接合時間および加圧力がそれぞれ不足するために、他の
条件が適正であるにもかかわらず、いずれも接合不良に
なった。B4,B7ではインサート材の融点が高く、接合温
度が1200℃ではインサート材が十分溶融拡散しないため
側曲げ試験で割れを発生し（B4）、インサート材を溶融
させるに充分な温度に材料を加熱した場合は、溶接高温
割れが母材（熱影響部）に発生した（B7）。B5ではイン
サート材の融点は低いもののCr量が少ないために、接合
はされてもクリープ試験では高温酸化により短時間で破
断が生じた。高周波数のB8では表皮効果により管内面ま
で十分加熱されないため側曲げ試験にて割れが生じた。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明の整合方法は
高温装置用材料を拡散接合により高能率に接合し得、し
かもその接合部に高温装置用材料として必要な耐食性お
よび機械的特性を付与し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の実施に用いた接合装置の模式図、
第２図は側曲げ試験片の形状説明図、第３図はクリープ
試験片の形状説明図、第４図は側曲げ試験片及びクリー
プ試験片の採取位置の説明図である。図中、1:加熱コイル、2a,2b:管、3a,3b:クランプ、4:高
周波電源。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 1/19 B23K 35/30 310 C22C 38/00 302 C22C 30/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、 C :0.07〜0.5％、Si:1〜2.5％、 Mn:0.1 〜1.5％、Ni:20〜45％、 Cr:22〜30％を含み、残部がFeと不可避的不純物からなる高温装置用
材料の相互突合せ部に、重量％で、 Si:8％以下、B:4％以下の１種以上、 Cr:5〜40％を含み、残部がFeおよび／またはNiと不可避的不純物か
らなる融点1150℃以下、厚さ10〜80μｍのインサート材、または重量％で、 Si:8％以下、B:4％以下の１種以上、 Cr:5〜40％、Mo:10％以下を含み、残部がFeおよび／またはNiと不可避的不純物か
らなる融点1150℃以下、厚さ10〜80μｍのインサート材を介在させ、酸素量が200ppm以下の雰囲
気中においてその突合せ部を0.5〜2kg f/mm²の圧力で加
圧しながら２〜20kHzの高周波電源にて1150〜1250℃の
温度に120秒以上誘導加熱し、前記インサート材を溶融
させることを特徴とする高温装置用材料の接合方法。
【請求項２】高温装置用材料、更に重量％で、 Mo:1.8〜2.2％、Ti:0.2〜0.8％、 B :0.002〜0.007％、Zr:0.01〜0.05％の１種または２種以上を含む材料である請求項１に記載
の高温装置用材料の接合方法。